Occurrence and Mobility of Mercury in Groundwater

5. Biogeochemical processes and mechanisms for mobilizing mercury in
groundwater — Case studies
5.1. New Jersey Coastal Plain, USA
At more than 70 residential sites underlain by an areally extensive (7,770 km
2
) unconfined non-
calcareous quartz sand aquifer system in the Coastal Plain of New Jersey, USA, water from
domestic wells has been found to contain Hg at concentrations that exceed the State MCL of
2,000 ng/L. In the same aquifer system, background levels of THg in the groundwater in
neighboring forested areas and unaffected residential areas are <10 ng/L (Barringer et al.,
1997; Barringer & Szabo, 2006). This highly permeable system is vulnerable to contamination,
with a water-table depth commonly less than 7 m below land surface. Past agricultural use of
mercurial pesticides and atmospheric deposition are two likely sources of THg to the aquifer.
Currently, about 700 wells are known to have withdrawn water containing THg at concen‐
trations ranging as high as 80,000 ng/L (Dr. Judith Louis, New Jersey Department of Environ‐
mental Protection, 2010, oral commun.); the New Jersey Department of Environmental
Protection supplies treatment systems or connections to public supplies for the affected
households. A small number of public-supply wells have also been affected in urban/suburban
areas (Fischer et al., 2010). Groundwater contaminated with THg was found in a similar Coastal
Plain aquifer in the neighboring State of Delaware (Koterba et al., 2006).
Redox reactions were found to be important in explaining the mobility of Hg in the New Jersey
Coastal Plain aquifer system. Septic-system effluent discharges, which were ubiquitous in the
unsewered residential areas with Hg-contaminated well water, apparently drove redox
Current Perspectives in Contaminant Hydrology and Water Resources Sustainability
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reactions that influenced THg mobility in the aquifer. Discharges with elevated concentrations
of electron donors promoted reductive dissolution of Fe hydroxide coatings on subsoil and
aquifer sediment grains and sorbed Hg (presumably as Hg(II)), was released to groundwater
(Barringer & MacLeod, 2001; Barringer et al., 2006; Barringer & Szabo, 2006). Septage and leach-
field effluent contained THg concentrations in the range <20 to 60 ng/L. Therefore the effluent
is seen, not as a prominent source of Hg, but as a source of electron donors (or reduced solutes)
capable of driving redox reactions, such as dissolution of Fe hydroxides and reduction of Hg(II)
to Hg(0), that favor increased concentrations and mobility of Hg.
The THg in New Jersey groundwater is hypothesized to be mobilized from soils. The mobility
of Hg in soils was tested during U.S. Geological Survey (USGS) studies by pulsed leaching of
samples of disturbed subsoils with de-ionized water, with artificial road-salt solution and with
20-20-20 fertilizer solution. In all cases the Hg removed was particulate, and was associated
with removal of particulate Fe, indicating that the most likely mode of transport for the THg
from the mineral soil horizons was in association with Fe hydroxide particles (Reilly et al.,
2012; Barringer et al., (2012)). In the Fe hydroxide-rich subsoils, the introduction of septic
systems, and onset of reducing conditions in some instances provided the conditions for
reductive dissolution of hydroxides and release of sorbed Hg(II) to the water table. From the
water table, gradients toward numerous pumping domestic wells brought mobile Hg to levels
in the aquifer where drinking-water supplies were impacted. The question then arises—in
what form is the Hg mobile?
Although well-water samples were not analyzed for Hg(0) in the USGS studies in the New
Jersey Coastal Plain, geochemical modeling results indicated that Hg in the groundwater
could be reduced and that Hg(0) would be a likely species in the groundwater (Barringer
& Szabo, 2006). The presence of Hg(0) in water from the Coastal Plain aquifer system has
been shown by sampling at the military base mentioned previously, where reducing
conditions are present in DOM-rich wetland areas (Barringer et al., 2012). As mentioned
earlier, experimental studies have shown that reduction of Hg(II) to Hg(0) by sorbed Fe(II)
is sufficiently fast to promote mobilization as Hg(0) (Amirbahman et al, 2012; Charlet et
al., 2002). Because Hg(0) is slightly soluble in water (56,000 ng/L at 25
o
(O’Neil, 2006)), it is
likely that, in parts of the aquifer system affected by effluent discharges, Hg(0) could form
and be mobile as dissolved Hg within the aquifer.
Mercury in the New Jersey Coastal Plain aquifer also appears to be mobile in particulate and
colloidal form. The differences between unfiltered Hg concentrations and filtered concentra‐
tions (passing 0.45- µm pore-size filters) is large for some groundwater samples; the magnitude
of this difference is interpreted as the concentration of particulates greater than 0.45 µm in
diameter (Barringer et al., 2006; Barringer & Szabo, 2006). The finding of Hg on particulates/
colloids indicates presence of THg, either as oxidized Hg(II) or as reduced Hg(0) (Bouffard &
Amyot (2009) sorbed to the mobile particles. Currently (2012) in New Jersey, the composition
of the particulates is not known at the various residential Hg contamination sites—they could
be Fe hydroxides (Ryan & Gschwend, 1990), clay minerals (Ryan & Gschwend, 1994), organic
material (Hurley et al., 1998), mixed organo-oxide colloids (Chadwick et al., 2006), or sulfide
particles (Slowey et al., 2005), depending on the geochemical environment in which they form.
Occurrence and Mobility of Mercury in Groundwater
http://dx.doi.org/10.5772/55487
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The presence of particulates indicates that the dissolved THg concentrations measured in the
New Jersey Coastal Plain groundwater represent only some fraction of the total pool of THg
present in parts of the aquifer system